基于高速铣削稳定性的减振工具系统基础研究及其应用

摘要

随着高速加工技术的普及与深入发展，切削加工过程中的颤振现象已成为制约零件加工效率、影响工件加工精度的一个重要因素。而被动式阻尼减振器具有减振效果良好、安装方便、结构简单等诸多优点，已逐渐运用于刀具系统的切削加工中，减振刀具和阻尼工具的研究及其工程应用正受到国内外制造业专家学者们的不断重视。
　　本文基于铣削系统的动态切削力公式和颤振稳定性预测模型，设计外置式阻尼减振器并安装在刀杆上，研究了不同阻尼减振器的阻尼材料及其安装位置对其抑振效果的影响规律，深入分析了所设计的阻尼减振器对薄壁件切削过程中的颤振稳定性、切削力以及工件表面形貌的影响规律。本文的主要研究工作如下：
　　（1）针对所设计的外置式阻尼减振工具系统，进行系统结构的有限元模态分析以及考虑外载荷的谐响应分析，讨论分析了阻尼减振器的材料以及安装位置对主轴—刀具系统的影响规律，仿真结果表明：当安装阻尼减振器后，系统的第1阶、2阶固有频率及其对应的共振幅值均逐渐降低，且刀尖处的响应位移也开始减小，其中，以45钢阻尼材料减振器的响应位移减小幅度最大，达到24%。当阻尼减振器的安装位置距离逐渐增大时，系统的第1阶、2阶固有频率逐渐降低，但其对应的共振幅值和响应位移均逐渐增加。
　　（2）基于阻尼减振器的仿真模型搭建模态测试平台，采用冲击力锤进行单点激励，得到不同阻尼材料、不同减振器安装位置下系统的模态参数，其变化趋势和仿真结果基本一致，理论平均误差在2.5%以内，说明本文所构建的仿真模型基本正确，所建模型和仿真结果对开发减振工具系统具有一定的参考价值。
　　（3）基于所设计的阻尼减振工具模型和装置，进行阻尼/无阻尼减振工具系统切削过程的颤振稳定性对比仿真，以及薄壁件切削试验，结果表明：阻尼减振工具系统能够提高最小临界切削深度达65%，有效降低切削过程中切削力峰值，提高零件表面加工质量。
　　本文所设计的外置式阻尼减振器，可运用于铣削刀具和其他回转类切削刀具，丰富了被动式阻尼减振技术在刀具切削领域的运用，为抑制加工中的颤振现象提供了一个具体的研究思路，对于改善零件实际生产效率、提高零件加工表面质量具有重要意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 切削颤振的研究现状

1.3 刀具减振机理研究现状

1.4 尚待深入研究的内容

1.5 本文主要研究内容及框架

第二章 高速铣削动力学模型与分析

2.1 概述

2.2 铣削过程动力学模型

2.3 颤振稳定性预测模型

2.4 阻尼减振器的设计与建模

2.5 本章小结

第三章 阻尼减振工具系统有限元分析

3.1 概述

3.2 阻尼减振工具系统模态分析

3.3 阻尼减振工具系统谐响应分析

3.4 本章小结

第四章 阻尼减振工具系统试验验证与分析

4.1 概述

4.2 试验设备与材料

4.3 试验方案与分析

4.4 本章小结

第五章 阻尼减振工具系统在薄壁件切削中的应用

5.1 概述

5.2 阻尼减振工具系统颤振稳定性仿真分析

5.3 阻尼减振工具系统切削力测量与分析

5.4 工件表面形貌测量与分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的相关成果